Logra aumentar el rendimiento en celda fotocatalítica monolítica bajo luz solar concentrada.
|
La humanidad se ha metido en un callejón sin salida. Hay tanta población en el mundo y los individuos consumen tanto que hemos chocado contra los límites del planeta: límites ecológicos, climáticos, geológicos, etc.
Seguimos consumiendo combustibles fósiles y emitiendo dióxido de carbono a la atmósfera. Por tanto, necesitamos desarrollar tecnologías que nos permitan emitir menos gases de efecto invernadero. Este desarrollo ya llega tarde debido a la desidia política, pero es mejor tarde que nunca. Además de las energías alternativas ya conocidas, se ha propuesto la implantación del hidrógeno verde como vector energético. Sin embargo, no se ha desarrollado todavía la tecnología para conseguirlo de una manera eficiente.
El hidrógeno tiene apoyos, pero también muchos detractores. Los que apoyan el coche a batería dicen que el hidrógeno no es la solución y algo de razón tienen. El problema es que se tiene que obtener hidrógeno con cierta eficiencia y luego usar ese hidrógeno con cierta eficiencia en una pila de combustible que además es cara por usar metales preciosos. Al final el sistema es costoso y su rendimiento bajo. Por otro lado, el problema del auto eléctrico es que tampoco hay cobalto o litio para tanta batería y se consumen muchos recursos en su construcción.
Tampoco se pueden electrificar fácilmente ciertos procesos industriales que sí se podrían hacer con hidrógeno, pues se podría usarse tal cual en sistemas en los que ahora se quema gas natural. Igualmente podría usarse en la síntesis de combustibles sintéticos, incluyendo el metano que compone el gas natural. Los combustibles sintéticos obtenidos a partir de hidrógeno, además, permitirían almacenar energía de una modo mucho más barato que una batería.
No todo es perfecto, el hidrógeno presenta ciertos problemas, como su dificultad a la hora de almacenarlo y capacidad de infiltrase en aleaciones y destruirlas con el tiempo.
La idea principal es usar fuentes de energía alternativas para producir hidrógeno. Recordemos que el hidrógeno no es una fuente de energía, sino un vector energético. Si finalmente se puede conseguir este tipo de hidrógeno, es probable que se creen enormes granjas solares para generar suficiente hidrógeno para alimentar flotas de vehículos, hornos industriales y pilas de combustible comerciales que podrían convertir el hidrógeno en electricidad.
Una manera es usar la electricidad producida en instalaciones fotovoltaicas y realizar una electrolisis, pero el rendimiento de la electrolisis no es lo suficientemente alto. Lo ideal es usar algún método más directo que use directamente la luz solar para dividir la molécula de agua.
Los científicos han tratado de usar la energía del sol para generar hidrógeno a partir del agua de una manera más directa desde hace tiempo. Pero el proceso, que implica el uso directo de la luz solar para dividir las moléculas de agua, ha sido ineficiente hasta ahora como para sea comercialmente viable. Un nuevo avance da esperanzas para una mejora en este sentido.
Los intentos anteriores de utilizar la energía del Sol para dividir directamente las moléculas de agua se han enfrentado a múltiples problemas. El proceso más sencillo para hacer esto requiere de fotones energéticos para romper los enlaces entre los átomos de hidrógeno y oxígeno del agua. Los fotones de onda más corta y, por lo tanto los más energéticos (como los de la luz ultravioleta y el visible) pueden lograr la tarea. Pero los fotones infrarrojos del Sol, que comprenden aproximadamente el 50% de los que llegan a la Tierra, no son lo suficientemente energéticos. No usar esta parte del espectro solar significa un desperdicio de energía.
Se intenta evitar esto mediante dos estrategias. La primera involucra el uso de una pila fotoelectroquímica. Estas son un poco como baterías, con dos electrodos sumergidos en un electrolito líquido. Un electrodo actúa como una minicélula solar, absorbiendo la luz solar y utilizando la energía para generar cargas eléctricas. Esas cargas luego alimentan a los catalizadores en los electrodos para dividir las moléculas de agua y generar gas hidrógeno en un electrodo y gas oxígeno en el otro. Los mejores sistemas de este tipo pueden convertir casi una cuarta parte de la energía de la luz solar en combustible de hidrógeno. Además, el oxígeno y el hidrógeno se producen por separado. Pero, hasta ahora, han requerido el uso de electrolitos corrosivos que degradan rápidamente el semiconductor que absorbe la luz.
Una segunda estrategia es la llamada celula fotocatalítica monolítica, que elimina la configuración de tipo batería. Simplemente se sumerge un semiconductor que absorbe la luz dentro del agua. El semiconductor absorbe la luz solar y genera cargas eléctricas que son usadas por los metales catalíticos de su superficie y estos disocian las moléculas de agua. Pero, debido a que el hidrógeno y el oxígeno resultantes se generan a la vez en el mismo sitio, pueden reaccionar fácilmente entre sí y que se forme agua de nuevo, lo que supone un grave inconveniente y una rebaja del rendimiento.
Eso ha limitado la eficiencia de estos divisores de agua fotocatalíticos y hasta ahora solo convertían un 3% de la energía entrante en hidrógeno utilizable. Una solución podría ser simplemente hacer que los semiconductores sean más grandes, como los paneles solares convencionales. Pero los semiconductores capaces de dividir el agua son mucho más caros que los paneles solares de silicio estándar, lo que hace que esta opción sea demasiado cara.
Investigadores dirigidos por Zetian Mi (Universidad de Michigan) describen en un nuevo artículo cómo han conseguido elevar el rendimiento de su sistema fotocatalítico. Por encima de su celda fotocatalítica colocaron una lente del tamaño típico de una ventana. Esta enfocó la luz solar en un área 100 veces más pequeña, lo que les permitió reducir el tamaño y el costo del semiconductor. Luego, la intensa luz solar generó cargas eléctricas en el semiconductor que pasaron a los catalizadores metálicos de tamaño nanométrico en la parte superior, que, a su vez, realizaron las reacciones de disociación del agua.
El equipo de Mi también elevó la temperatura del sistema a 70 °C, lo que evitó que la mayoría de los gases de hidrógeno y oxígeno reaccionaran entre sí para formar agua. Su dispositivo utiliza no solo los fotones visibles y ultravioleta capaces de dividir el agua, sino también los fotones infrarrojos, menos energéticos.
Estas mejoras permitieron al equipo de científicos convertir el 9,2% de la energía del Sol en hidrógeno, aproximadamente tres veces más que las configuraciones fotocatalíticas anteriores.
El objetivo es llegar al 10% para que estos dispositivos sean comercialmente viables. Aún así, la nueva configuración se enfrenta desafíos comerciales, pues produce una mezcla potencialmente explosiva de hidrógeno y oxígeno (una mezcla a 70 grados de hidrógeno y oxígeno, ¿qué podrían salir mal?). Una versión comercial tendría que separar esos gases, lo que aumentará el costo. La ventaja es que las células fotocatalíticas de división de agua son más simples de diseñar que otros sistemas y esto abarataría su uso.
Copyleft: atribuir con enlace a https://neofronteras.com [1]
Fuentes y referencias:
Artículo original. [2]
Dibujo: Rh2network/Wikimedia.